Estudio de la utilización de las cenizas de cenicero de centrales termoeléctricas de carbón como adición del cemento portland : análisis comparativo con las cenizas volantes

摘要

El empleo de nuevas adiciones en el cemento se plantea como una vía para que éste sea unudmaterial más sostenible. En este contexto, las cenizas de fondo o cenicero de las centralesudtermoeléctricas de carbón actualmente se están llevando a vertederos creando unudproblema medioambiental o se están empleando con usos minoritarios. Sin embargo, laudpresente Tesis doctoral demuestra cómo este material puede ser empleado como unudcomponente principal de los cementos portland mezclado en una proporción optimizadaudcon las cenizas volantes o solo. Por tanto, este estudio se puede considerar como unudtrabajo prenormativo que cubre las demandas de la sociedad tanto económicas comoudambientales.udSe han estudiado las propiedades químicas, físicas y mecánicas de las cenizas de fondo oudcenicero de las centrales termoeléctricas de carbón como una adición potencial de losudcementos portland (con adiciones) en comparación con los cementos portland con cenizasudvolantes. En consecuencia, el objeto de la presente Tesis Doctoral es el análisis de lasudprestaciones de morteros elaborados con clínkeres de cemento portland y cenizas deudfondo o cenicero con cenizas volantes de las centrales termoeléctricas de carbón en unosudporcentajes similares a los correspondientes a los CEM II/A-V, CEM II/B-V y CEM IV/A (V)udde la UNE-EN 197-1:2011.udLa caracterización de las cenizas de fondo o cenicero y de las cenizas volantes de lasudcentrales termoeléctricas de carbón se ha realizado mediante las técnicas analíticas deudFRX, ICP, análisis químicos, DRX, densidad, granulometría láser, superficie específicaudBlaine, ATD, TG, puzolanicidad, MEB y EDX; mientras que la caracterización de las mezclas se ha realizado mediante análisis químico (análisis químico, FRX e ICP y), DRX, MIP,udgranulometría láser, puzolanicidad, MEB y EDX, agua de consistencia normal, inicio y finaludde fraguado, estabilidad de volumen, colorimetría, calor de hidratación, DTA y TG, asícomoudensayos de resistencia; resistencia a flexión y compresión y ensayos de durabilidadud(carbonatación natural, resistencia al hielo-deshielo, resistencia a la acción de los sulfatosudy resistencia a la reacción árido-álcali). Finalmente, se han comprobado las propiedadesudde las cenizas de cenicero y cenizas volantes en hormigones, realizando ensayos deudresistencia a compresión y resistividad.udLos resultados obtenidos indican que la sustitución parcial o completa de las cenizasudvolantes por las de cenicero no tiene un efecto tecnológicamente importante en lasudpropiedades ni mecánicas ni durables, incluso los mejora en determinados aspectos. Porudtanto, se recomienda la normalización de las cenizas de fondo o cenicero de las centralesudtermoeléctricas de carbón como componente principal de los cementos portland comunesudde la UNE-EN 197-1:2011.udActualmente, la mayoría de las cenizas de fondo se consideran como unudresiduo que no tiene un posible uso. Sólo se han encontrado algunos datos relativos a laudaplicación de este material combinado con cenizas volantes como un componenteudprincipal de los cementos portland. Por tanto, la realización de un estudio integradoudconsiderando aspectos que van desde la caracterización de las cenizas hasta las mezclas deudconglomerante y la hidratación de éstas, desarrollo de resistencias y demás prestaciones yuddurabilidad (carbonatación natural, resistencia al hielo-deshielo, resistencia a la acción deudlos sulfatos y resistencia a la reacción árido-álcali), así como los ensayos de resistencia enudhormigón es totalmente novedoso. Como resultado final se propone incorporar estasudnuevas adiciones en aplicaciones particulares y en la norma más apropiada para ello.udLos resultados han demostrado que la sustitución completaudo parcial de las cenizas volantes por cenizas de fondo o cenicero de las centralesudtermoeléctricas de carbón en cementos de los tipos CEM II/A-V, CEM II/B-V y CEM IV/A noudafecta de forma significativa en la resistencia a compresión a 1, 3 ,7, 28 ni 90 días ni a lauddurabilidad. En parte esto se debe a que la composición química de ambas cenizas es muyudsimilar en la mayoría de los elementos tales como Fe2O3, TiO2, P2O5, SrO2, aunque en algúnudcaso, como en el ZnO, se encuentra alguna ligera diferencia. Por tanto, se pueden esperarudunas ligeras diferencias en el mecanismo de hidratación de las diferentes mezclasudestudiadas. La presencia de los óxidos mencionados afectará a la composición de la faseudacuosa y, en consecuencia, podrían ser elementos lixiviables. Asimismo, influyen deuddistinta manera en propiedades tales como los tiempos de fraguado y en la durabilidad. New additions to the cement are needed to achieve a more sustainable constructionudmaterial. Within this context, bottom ashes produced in coal-fired power stations areudcurrently wastes which are dumped provoking an environmental problem. Only in fewudcases are being used in minor applications. However, the present PhD Thesis shows howudthis material can be used as a main constituent of Portland cement when it is mixed in anudoptimised proportion with fly ashes or added to the Portland clinker alone. Therefore, thisudstudy may also be considered as a pre-standardization work which covers both theudenvironmental and economic demands of society.udChemical, physical and mechanical characteristics of pulverized coal combustion bottomudash used as a potential constituent of Portland cements (with additions) are studied inudcomparison to Portland cements with fly ashes. Therefore, the aim of this experimentaludPhD Thesis is the analysis of the performance of mortars made of clinker of Portlandudcement and bottom and/or fly ashes in similar proportions to those of CEM II/A-V, CEMudII/B-V and CEM IV/A (V) according to EN 197-1:2011.udCharacterisation of bottom and fly ashes has been done by XRF, ICP, chemical analyses,udXRD, density, laser granulometry, Blaine, ATD, TG, pozzolanity, SEM and EDS.udCharacterisation of bottom and fly ashes mixes has been perform by chemical analyses,udXRF, ICP, XRD, MIP, laser granulometry, pozzolanity, SEM, EDS, setting time, soundness,udcolorimetric test, heat of hydration, ATD, TG, compressive strength, and durability testsud(natural carbonation, frost-thaw resistance, sulphate resistance and silica-alkaliudresistance). In conclusion, it can be established that partial or complete replacement of fly ash byudbottom ash has neither significant effect on mechanical nor durability properties. Even,udthey are improved in several aspects. Therefore, it is recommended to standardise theudbottom ash as a main cement constituent of the European standard EN 197-1:2011.udNowadays, most bottom ashes are considered as waste without anyudpotential re-use. Only a few papers deal with the study of this material and its use mixedudwith fly ashes to be employed as a main constituent of Portland cement. Therefore, theudexecution of an integrated study considering together aspects from the initialudcharacterization of the ashes and blinder mixes to the hydration steps, strengthudachievement, leading behaviour and durability (natural carbonation, sulphate attack,udaggregate-alcali reaction and freeze-thaw resistance) is totally new. As result, it isudproposed to include this new addition for particular applications in the appropriateudcement standard.udThe results have shown that with regard to the compressiveudstrength at 1, 3, 7, 28 and 90 days, partial or complete replacement of fly ash by bottomudash in CEM II/A-V, CEM II/B-V and CEM IV/A has no more significant effects. Partially, thisudcan be explained because the bottom ash contains a similar amount of most of theudelements, Fe2O3, TiO2, P2O5, SrO2, and so on, instead of ZnO. Therefore, slight hydrationuddifferences are expected. The presence of such oxides might have a significant effect onudpore solution concentration and so will be leachable constituents. They will also play anudimportant role in the cement properties such as setting times and durability.